不同通風(fēng)方式下地下環(huán)形受限空間火羽流卷吸特性研究

朱 杰，馬金梅，彭 莉

(1.四川師范大學(xué)工學(xué)院，四川 成都 610101;2.四川省高校公共火災(zāi)防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610101)

地下環(huán)形受限空間是一種新型的地下公共交通系統(tǒng)，不同于普通隧道，其主體多呈環(huán)形，受結(jié)構(gòu)、曲率、坡度、出入口、通風(fēng)方式的影響，火羽流運(yùn)動(dòng)特性復(fù)雜，屬典型的傾斜非軸對(duì)稱火羽流且可能發(fā)生二次流動(dòng)，普通受限火羽流模型無(wú)法適用[1-2]。在地下環(huán)形受限空間日益普及以及消防安全日漸重視的背景下，開展地下環(huán)形受限空間火羽流運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究是必要而且是迫切的。

不同通風(fēng)方式對(duì)地下環(huán)形受限空間火羽流卷吸特性及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)產(chǎn)生較大的影響[3-5]。不同通風(fēng)條件下，受邊壁效應(yīng)的影響[6-8]，火羽流的變化規(guī)律復(fù)雜，當(dāng)火源位于環(huán)道主干隧道、出入口支路隧道、交叉路口隧道處時(shí)，火羽流的卷吸機(jī)理和蔓延過(guò)程截然不同，可能會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)通道火羽流、墻角火羽流、丁字火羽流、十字火羽流等多個(gè)火羽流形式及其組合[9-11]；同時(shí)地下環(huán)形受限空間內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)及主控?zé)岱磻?yīng)機(jī)制也會(huì)發(fā)生改變，對(duì)火羽流的分層形態(tài)、水平流動(dòng)速度、火羽流質(zhì)量流率、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)等卷吸特性將會(huì)產(chǎn)生重要的影響，目前這方面的研究還不夠深入，國(guó)內(nèi)外鮮見報(bào)道[12-14]。

本文以某典型地下環(huán)形受限空間為研究對(duì)象，基于火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS大渦模擬研究了橫向、半橫向、縱向三種不同通風(fēng)方式下，不同火源位置火羽流的分層形態(tài)及其演化過(guò)程，定量分析了火羽流的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)等卷吸特性，最終確定其運(yùn)動(dòng)機(jī)理，為受限空間火災(zāi)煙氣控制、人員疏散以及火災(zāi)綜合防治提供理論依據(jù)[15-17]。

1 試驗(yàn)組織與實(shí)施

本文以某典型地下交通環(huán)道為研究對(duì)象。該項(xiàng)目為單向三車道,主環(huán)道全長(zhǎng)2.8 km,凈高4.0 m；隧道橫斷面面積為42.9 m2，共8個(gè)隧道主出入口，42個(gè)與車庫(kù)相連分車道，6處下沉廣場(chǎng)，主隧道的行車為單向逆時(shí)針，后期運(yùn)營(yíng)僅允許小汽車通行；防煙分區(qū)為130 m，采用機(jī)械排煙系統(tǒng)(其中橫向通風(fēng)均勻布置送風(fēng)口和排風(fēng)口；半橫向通風(fēng)通過(guò)通風(fēng)管道對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行排風(fēng)；縱向通風(fēng)采用射流風(fēng)機(jī)對(duì)隧道縱向通風(fēng))。該典型地下交通環(huán)道的幾何模型和物理模型，見圖1和圖2。

圖1 某典型地下交通環(huán)道幾何模型及出入口車道 示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of geometric model and lanes at entrance/exit of a typical under- ground traffic link tunnel

圖2 某典型地下交通環(huán)道物理模型圖Fig.2 Physical model diagram of a typical underground traffic link tunnel

本文選用專業(yè)火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS進(jìn)行模擬試驗(yàn)，該軟件專門用于對(duì)火災(zāi)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，在火災(zāi)科學(xué)研究領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛使用，并且大量的試驗(yàn)驗(yàn)證了該軟件模擬的可靠性。大多數(shù)情況下，火災(zāi)所引起的流動(dòng)都是湍流，本文選用大渦模擬方法(Large Eddy Simulation,LES)，求解熱浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)的Navier-Stockes方程，其基本思想是燃料和燃燒產(chǎn)物與周圍空氣充分混合，且混合產(chǎn)生的煙氣渦旋足夠大，從而可以精細(xì)求解動(dòng)力學(xué)方程[18-20]。

參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，本文保守選取火源功率為10 MW(約3輛小型轎車同時(shí)發(fā)生火災(zāi)且滅火系統(tǒng)未能正常啟動(dòng)時(shí)熱釋放速率[21-24])，t2-超快速增長(zhǎng)火，風(fēng)速為3 m/s；根據(jù)環(huán)形隧道結(jié)構(gòu)、行車特點(diǎn)、通風(fēng)方式，綜合考慮火災(zāi)最不利情況，確定了橫向、半橫向、縱向三種通風(fēng)方式下，火源位于主干隧道、出入口支路隧道、分車道與主隧道交叉路口隧道9個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景，詳見表1。

表1 不同通風(fēng)方式下火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

2 結(jié)果與討論

地下環(huán)形受限空間結(jié)構(gòu)獨(dú)特，相對(duì)于普通狹長(zhǎng)受限空間而言，火災(zāi)煙羽流在縱向上的蔓延速度快于橫向方向，煙羽流在水平界面可能會(huì)產(chǎn)生較大的剪切力，速度及剪切造成煙羽流分層流界面附近出現(xiàn)不同類型的不穩(wěn)定機(jī)制，加劇了兩層之間的卷吸和摻混[25-26]。

2.1 主干隧道不同通風(fēng)方式下火羽流的卷吸特性分析

2.1.1 火羽流溫度場(chǎng)的變化規(guī)律

地下環(huán)形受限空間火災(zāi)煙羽流溫度高于沿途襯砌溫度，在擴(kuò)散過(guò)程中，由于燃燒引起的冷熱空氣對(duì)流，以及煙羽流不斷地與周圍物體進(jìn)行熱交換，隧道襯砌得到熱能，其溫度不斷升高，煙羽流失去熱能溫度逐漸下降，其影響沿隧道縱向逐漸減弱。當(dāng)火源位于主干隧道處時(shí)，受邊壁效應(yīng)的影響火災(zāi)煙羽流在縱向上的蔓延占主導(dǎo)。不同通風(fēng)方式下火源上、下風(fēng)向在受限空間內(nèi)頂棚溫度的變化曲線，見圖3和圖4。

圖3 不同通風(fēng)方式下火源上風(fēng)向在受限空間內(nèi)頂棚 溫度的變化曲線Fig.3 Variation curves of the ceiling temperature in confined space upwind from the fire source under different ventilation modes

圖4 不同通風(fēng)方式下火源下風(fēng)向在受限空間內(nèi)頂棚 溫度的變化曲線Fig.4 Variation curves of the ceiling temperature in confined space downwind from the fire source under different ventilation modes

由圖3可見，在火源上風(fēng)向，因排煙效率的不同，縱向通風(fēng)方式下在受限空間內(nèi)頂棚的初始溫度最高，其次為橫向通風(fēng)方式，半橫向通風(fēng)方式最低；隨著距火源距離的增加，在受限空間內(nèi)頂棚的溫度均在下降；在火源上風(fēng)向距火源30 m處，橫向、半橫向通風(fēng)方式下在受限空間內(nèi)頂棚的溫度變化規(guī)律基本吻合；在火源上風(fēng)向距火源60 m處，其溫度達(dá)到了25℃，半橫向通風(fēng)方式下在受限空間內(nèi)頂棚的溫度略低于橫向通風(fēng)方式。

由圖4可見，在火源下風(fēng)向，因排煙效率的影響，橫向通風(fēng)方式下在受限空間內(nèi)頂棚的溫度最高，可達(dá)1 100℃，半橫向通風(fēng)方式次之，縱向通風(fēng)方式最低；在火源下風(fēng)向，隨著距火源距離的增加，橫向、半橫向通風(fēng)方式下，在受限空間頂棚內(nèi)的溫度下降速率較大，其變化規(guī)律基本一致，但半橫向通風(fēng)方式下在受限空間內(nèi)頂棚的溫度略低于橫向通風(fēng)方式，距火源100 m處，其溫度僅為20℃；隨著距火源距離的增加，縱向通風(fēng)方式下在受限空間內(nèi)頂棚的溫度也在下降，但均較橫向及半橫向通風(fēng)方式下在受限空間內(nèi)頂棚的溫度高。

研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火源位于主干隧道時(shí)，在縱向通風(fēng)方式下火羽流的蔓延速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向、半橫向通風(fēng)方式，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在1 200 s時(shí)，縱向通風(fēng)方式下火羽流已經(jīng)蔓延至環(huán)道彎道處。綜合對(duì)比，半橫向通風(fēng)方式下在受限空間內(nèi)頂棚的溫度最低。

2.1.2 煙羽流高度的變化規(guī)律

在自然通風(fēng)條件下，地下環(huán)形狹長(zhǎng)受限空間內(nèi)火災(zāi)煙羽流層化結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，火災(zāi)煙氣會(huì)蔓延至與外界大氣相通的出口后排出；但在強(qiáng)迫通風(fēng)或排煙作用下，煙氣受到強(qiáng)迫氣流擾動(dòng)，煙羽流層化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性遭到破壞，進(jìn)而對(duì)人員安全逃生構(gòu)成威脅。當(dāng)火源位置位于主干隧道處，不同通風(fēng)方式下火源上、下風(fēng)向煙羽流高度的變化過(guò)程，見圖5和圖6。

圖5 不同通風(fēng)方式下火源上風(fēng)向煙羽流高度的變化曲線Fig.5 Variation curves of the smoke plume height upwind from the fire source under different ventilation modes

由圖5和圖6可見，初始火源功率較大，又為地下環(huán)形受限空間，瞬時(shí)產(chǎn)煙量較大又無(wú)法及時(shí)排出，在火源上風(fēng)向距火源30 m范圍內(nèi)，不同通風(fēng)方式下煙羽流高度小幅下降，此后，隨著距火源距離的增加，煙羽流高度持續(xù)增加，穩(wěn)定在3.8 m范圍內(nèi)(見圖5);在火源下風(fēng)向隨著距火源距離的增加，煙羽流高度下降，在火源下風(fēng)向距火源30 m處，200 s時(shí)煙羽流高度已經(jīng)達(dá)到1.7 m(見圖6)。

圖6 不同通風(fēng)方式下火源下風(fēng)向煙羽流高度的 變化曲線Fig.6 Variation curves of the smoke plume height downwind from the fire source under different ventilation modes

2.1.3 火羽流CO濃度場(chǎng)的變化規(guī)律

地下環(huán)形受限空間受結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響，其火災(zāi)煙氣難以迅速?gòu)氐着懦?，其火羽流輸運(yùn)特性的研究值得關(guān)注。當(dāng)火源位置位于主干隧道時(shí)，不同通風(fēng)方式下火源上、下風(fēng)向火羽流CO濃度的變化過(guò)程，見圖7和圖8。

圖7 不同通風(fēng)方式下火源上風(fēng)向火羽流CO濃度的 變化曲線Fig.7 Variation curves of the CO concentration of the fire plume upwind from the fire source under different ventilation modes

圖8 不同通風(fēng)方式下火源下風(fēng)向火羽流CO濃度的 變化曲線Fig.8 Variation curves of the CO concentration of the fire plume downwind from the fire source under different ventilation modes

由圖7和圖8可見，當(dāng)火源位于主干隧道時(shí)，因縱向通風(fēng)方式無(wú)法迅速、及時(shí)地排出火災(zāi)煙氣，易造成火羽流集聚，火源上、下風(fēng)向不同距離處縱向通風(fēng)方式產(chǎn)生的CO濃度均高于半橫向和橫向通風(fēng)方式，縱向通風(fēng)方式對(duì)CO濃度的影響較大；半橫向和橫向兩種通風(fēng)方式下CO的產(chǎn)生量基本一致，半橫向通風(fēng)方式下產(chǎn)生的CO濃度值低于橫向通風(fēng)方式；在火源上風(fēng)向，隨著距火源距離的增加，CO濃度降低，在火源下風(fēng)向，由于燃燒持續(xù)，CO濃度呈現(xiàn)局部升高。

2.2 出入口支路隧道不同通風(fēng)方式下火羽流的卷吸特性分析

2.2.1 火羽流溫度場(chǎng)的變化規(guī)律

當(dāng)火源位置位于出入口支路隧道時(shí)，受通風(fēng)方式及邊壁效應(yīng)的影響，易形成丁字羽流，火羽流部分沿主干隧道縱向蔓延，部分撞擊受限空間頂棚后沿出入口支路隧道蔓延，其頂棚溫度低于火源位于主干隧道處，若通風(fēng)措施不當(dāng)，極易造成風(fēng)流紊亂。不同通風(fēng)方式下火源上、下風(fēng)向在受限空間內(nèi)頂棚溫度的變化過(guò)程，見圖9和圖10。

圖9 不同通風(fēng)方式下火源上風(fēng)向在受限空間內(nèi)頂棚 溫度的變化曲線Fig.9 Variation curves of the ceiling temperature in confined space upwind from the fire source under different ventilation modes

圖10 不同通風(fēng)方式下火源下風(fēng)向在受限空間內(nèi)頂棚 溫度的變化曲線Fig.10 Variation curves of the ceiling temperature in confined space downwind from the fire source under different ventilation modes

由圖9和圖10可見，不同通風(fēng)方式下，火源上、下風(fēng)向隨著距火源距離的增加，在受限空間內(nèi)頂棚的溫度均下降；在火源上風(fēng)向，隨著距火源距離的增加，橫向通風(fēng)方式下在受限空間內(nèi)頂棚的溫度較半橫向、縱向通風(fēng)方式大，但都在人體所能承受的范圍以內(nèi)(溫度低于27°)，半橫向通風(fēng)方式下在受限空間內(nèi)頂棚的溫度最低，發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員應(yīng)向火源上風(fēng)向逃生；在火源下風(fēng)向，隨著距火源距離的增加，橫向通風(fēng)方式對(duì)受限空間內(nèi)頂棚溫度的影響較半橫向、縱向通風(fēng)方式明顯，橫向通風(fēng)方式下在受限空間內(nèi)頂棚的溫度最低。

2.2.2 煙羽流高度的變化規(guī)律

當(dāng)火源位置位于出入口支路隧道時(shí)，受丁字邊壁效應(yīng)的影響，火羽流強(qiáng)迫火源下風(fēng)向蔓延速度增加，火源下風(fēng)向煙羽流高度下降速率高于火源位于主干隧道。不同通風(fēng)方式下火源上、下風(fēng)向煙羽流高度的變化過(guò)程，見圖11。

圖11 不同通風(fēng)方式下火源上、下風(fēng)向煙羽流高度的 變化曲線Fig.11 Curves of fire plume height upwind and downwind from the fire source under different ventilation modes

由圖11可見，在不同通風(fēng)方式下火源上、下風(fēng)向煙羽流高度的變化基本一致，煙羽流高度均較低，可能會(huì)影響人員的安全疏散。

2.2.3 火羽流CO濃度場(chǎng)的變化規(guī)律

不同于主干隧道火災(zāi)，出入口支路隧道處自然通風(fēng)條件好且空間較為開闊，通風(fēng)方式對(duì)煙氣蔓延的影響較小。當(dāng)火源位置位于出入口支路隧道時(shí)，不同通風(fēng)方式下火源上、下風(fēng)向火羽流CO濃度的變化過(guò)程，見圖12。

由圖12可見，距火源一定距離處不同通風(fēng)方式

圖12 不同通風(fēng)方式下火源上、下風(fēng)向火羽流CO濃度的變化曲線Fig.12 Variation curves of CO concentration upwind and downwind from the fire source under different ventilation modes

隨著距火源距離的增加，CO濃度均降低；火源下風(fēng)向在距火源位置較遠(yuǎn)時(shí)半橫向通風(fēng)方式下CO濃度較低，基本可以忽略，距火源位置較近時(shí)三種通風(fēng)方式下CO濃度的變化基本一致。

2.3 交叉路口隧道不同通風(fēng)方式下火羽流的卷吸特性分析

2.3.1 火羽流溫度場(chǎng)的變化規(guī)律

當(dāng)火源位置位于交叉路口隧道時(shí)，易形成十字羽流，羽流撞擊受限空間頂棚后蔓延一段距離，受邊壁效應(yīng)的影響，沿主干隧道和交叉路口隧道各支路蔓延，因交叉路口隧道空間結(jié)構(gòu)較主干隧道和出入口支路隧道開闊，火羽流蔓延較為迅速，不易集聚。當(dāng)火源位置位于交叉路口隧道處，不同通風(fēng)方式下火源上、下風(fēng)向在受限空間內(nèi)頂棚溫度的變化過(guò)程，見圖13。

由圖13可見，當(dāng)火源位于交叉路口隧道時(shí)，火源上、下風(fēng)向受限空間內(nèi)頂棚的溫度均低于70°，橫向通風(fēng)方式下在受限空間內(nèi)頂棚的溫度最高，縱向通風(fēng)方式下在受限空間內(nèi)頂棚的溫度最低；在受限空間內(nèi)頂棚的溫度均隨著距火源距離的增加而降低；火源上風(fēng)向在受限空間內(nèi)頂棚的溫度下降緩慢，縱向通風(fēng)方式下，在距火源60 m處在受限空間內(nèi)頂棚的最高溫度為35°。

圖13 不同通風(fēng)方式下火源上、下風(fēng)向在受限空間內(nèi)頂棚溫度的變化曲線Fig.13 Variation curves of the ceiling temperature in confined space upwind and downwind from the fire source under different ventilation modes

2.3.2 煙羽流高度的變化規(guī)律

當(dāng)火源位置位于交叉路口隧道時(shí)，火羽流受十字羽流影響可向四周蔓延，受火羽流卷吸作用的影響，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間更久，蔓延距離更長(zhǎng)。當(dāng)火源位置位于交叉路口隧道處，火源上、下風(fēng)向煙羽流高度的變化過(guò)程，見圖14。

由圖14可見，當(dāng)火源位于交叉路口隧道時(shí)，不同通風(fēng)方式下煙羽流高度的變化規(guī)律基本一致，較火源位于主干隧道和出入口支路隧道時(shí)，火源上、下風(fēng)向煙羽流的下降速率均增大，煙羽流蔓延更為復(fù)雜。

2.3.3 火羽流CO濃度場(chǎng)的變化規(guī)律

當(dāng)火源位置位于交叉路口隧道時(shí)，火源上、下風(fēng)向火羽流CO濃度的變化過(guò)程，見圖15。

由圖15可見，當(dāng)交叉路口隧道處發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源位置處縱向通風(fēng)方式下CO濃度較橫向、半橫向通風(fēng)方式下CO濃度低，距火源一定距離處火源上風(fēng)向三種通風(fēng)方式下CO濃度基本一致；火源下風(fēng)向20 m處半橫向通風(fēng)方式下CO濃度較其他兩種通風(fēng)方式大，在距火源位置較遠(yuǎn)處不同通風(fēng)方式對(duì)CO濃度的影響不大。

圖14 不同通風(fēng)方式下火源上、下風(fēng)向煙羽流高度的變化曲線Fig.14 Variation curves of the fire plume height upwind and downwind from the fire source under different ventilation modes

圖15 不同通風(fēng)方式下火源上、下風(fēng)向火羽流CO濃度的變化曲線Fig.15 Variation curves of CO concentration upwind and downwind from the fire source under different ventilation modes

3 結(jié) 論

(1) 地下環(huán)形受限空間火羽流的卷吸特性復(fù)雜，易受空間結(jié)構(gòu)、曲率、坡度、出入口、通風(fēng)方式等多因素的耦合作用，屬典型的傾斜非軸對(duì)稱火羽流，且易發(fā)生二次流動(dòng)。

(2) 不同通風(fēng)方式可改變火羽流主控?zé)岱磻?yīng)的機(jī)制，會(huì)對(duì)火羽流卷吸特性、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、煙羽流高度等有較大影響；不同通風(fēng)方式下，當(dāng)火源位于主干隧道、出入口支路隧道和交叉路口隧道時(shí)，會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)通道火羽流、墻角羽流、丁字羽流、十字羽流等多個(gè)火羽流形式及其組合。

(3) 當(dāng)火源位置位于主干隧道時(shí)，半橫向通風(fēng)方式下火羽流在受限空間內(nèi)頂棚的溫度、CO濃度最低，三種通風(fēng)方式下煙羽流高度的變化規(guī)律基本一致，半橫向通風(fēng)方式最佳；當(dāng)火源位置位于主出入口支路隧道時(shí)，火羽流在受限空間內(nèi)頂棚的溫度低于火源位于主干隧道，橫向通風(fēng)方式下火羽流在受限空間內(nèi)頂棚的溫度最低，三種通風(fēng)方式下煙羽流高度、CO濃度的變化規(guī)律基本一致，橫向通風(fēng)方式最佳；當(dāng)火源位于交叉路口隧道時(shí)，因火羽流蔓延途徑較多，火羽流在受限空間內(nèi)頂棚的溫度較低，縱向通風(fēng)方式下對(duì)溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)及煙羽流高度變化的影響明顯優(yōu)于橫向、半橫向通風(fēng)方式。

(4) 為提升地下環(huán)形受限空間整體的消防安全性能，其排煙方式建議采取多種排煙方式的組合為佳。